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如何選購(gòu)原子力顯微鏡
隨著生物學(xué)的發(fā)展，原子探針顯微鏡得到了越來(lái)越多的應(yīng)用和發(fā)展，如細(xì)胞動(dòng)態(tài)觀察、樣品的三維成像等。那么，如何選購(gòu)一臺(tái)原子探針顯微鏡呢?
選購(gòu)步驟可從以下幾方面著手：
1.了解原子探針顯微鏡的基本原理
掃描隧道顯微鏡的原理
掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過(guò)探測(cè)固體表面原子中電子的隧道電流來(lái)分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。
根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不*局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長(zhǎng)度約為1nm。用一個(gè)極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱(chēng)為樣品)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近(距離<1nm)時(shí)，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓U，在電場(chǎng)作用下，電子就會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘，通過(guò)電子云的狹窄通道流動(dòng)，從一極流向另一極，形成隧道電流I。隧道電流I的大小與針尖和樣品間的距離s以及樣品表面平均勢(shì)壘的高度有關(guān)，其關(guān)系為式中A為常量。如果s以10-1nm為單位，以eV為單位，則在真空條件下，A≈1，。
由此可見(jiàn)，隧道電流I對(duì)針尖與樣品表面之間的距離s極為敏感，如果s減小0.1nm，隧道電流就會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)針尖在樣品表面上方掃描時(shí)，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過(guò)其隧道電流顯示出來(lái)。借助于電子儀器和計(jì)算機(jī)，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。
原子力顯微鏡的基本工作原理
AFM系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)帶針尖的力敏感元件;(2)力敏感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置;(3)監(jiān)控力敏感元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路;(4)掃描系統(tǒng)(一般使用壓電陶瓷)，其作用是使樣品進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng);(5)圖象采集及顯示;(6)圖象處理系統(tǒng)。其中關(guān)鍵的是前兩部分。
AFM的工作原理如圖2所示。將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。使針尖在樣品的表面上掃描，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8-10-6N)，原子間作用力的檢測(cè)主要由光杠桿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會(huì)彎曲。為檢測(cè)懸臂的微小彎曲量(位移)，采用激光照射懸臂的，四象限探測(cè)器就可檢測(cè)出懸臂的偏轉(zhuǎn)。如果控制這種力在掃描過(guò)程中保持恒定，則微懸臂將在垂直于樣品表面的方向上起伏運(yùn)動(dòng)，利用隧道電流檢測(cè)法或光學(xué)檢測(cè)方法，測(cè)定微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。
根據(jù)AFM所測(cè)力的性質(zhì)的不同，其工作模式及微懸臂運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方法將有所不同。所謂工作模式，主要是指AFM工作時(shí)微懸臂運(yùn)動(dòng)所處的狀態(tài)，主要可分為兩種。一種為準(zhǔn)靜態(tài)工作模式，此時(shí)針尖與樣品的相互作用力較強(qiáng)，微懸臂有較大形變，可用隧道電流法，電容及激光束偏轉(zhuǎn)探測(cè)法等直接檢測(cè)此形變。處于該模式，針尖與樣品的間距小于0.03nm，基本上是緊密接觸的(故又稱(chēng)接觸模式)。由于此時(shí)二者電子云發(fā)生重疊，導(dǎo)致儀器的分辨率*，可達(dá)原子級(jí)水平。運(yùn)用此種模式可測(cè)量原子間的相互作用力，所測(cè)小力可達(dá)10-9N。對(duì)于針尖與樣品間的摩擦力，也可用該模式進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)小檢測(cè)極限可達(dá)10-10N。根據(jù)反饋方式的不同，該模式又可分成恒力模式和形變變化模式兩種。前者反饋信號(hào)控制樣品上下運(yùn)動(dòng)，使得微懸臂的形變及其與樣品間的相互作用力保持恒定;后者樣品只進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，反饋線路控制使得微懸臂隨表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，由于反饋直接控制隧道針尖，導(dǎo)致儀器工作穩(wěn)定，但其數(shù)據(jù)的解釋要困難一些。
上面描述的這種接觸模式適應(yīng)于對(duì)硬表面的觀察，并可達(dá)到較高的分辨率，但這種接觸模式與樣品表面相互作用較強(qiáng)，對(duì)于生物樣品，由于它相對(duì)于云母，石墨及金等固體材料具有較大的柔軟性，目前對(duì)其觀察還沒(méi)有達(dá)到足夠高的分辨率，在針尖掃描時(shí)，有時(shí)還會(huì)造成樣品表面的損傷。而對(duì)于吸附在堅(jiān)硬表面的樣品，在探針的作用下有時(shí)會(huì)被移動(dòng)而不利于成像。對(duì)于生物材料，由于其表面較軟如果采用接觸模式，在不降低其分辨率的情況下，應(yīng)盡量降低針尖與樣品的作用力，以免造成表面損傷。
2.廠家的儀器的功能和特性是否滿足我的科研要求?
詳細(xì)閱讀產(chǎn)品資料中的技術(shù)性能指標(biāo)，不肯定時(shí)可將您的樣品交給廠家要求試驗(yàn)做樣，看看其結(jié)果是否滿意再下結(jié)論;
3.該廠家的儀器所做出來(lái)的結(jié)果是否得到國(guó)內(nèi)、國(guó)外核心期刊的認(rèn)可?用該廠家的儀器在國(guó)內(nèi)、國(guó)外核心期刊所發(fā)表的數(shù)量和質(zhì)量如何?
有些廠家無(wú)法提供自己儀器經(jīng)同行審議的、已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表、有人負(fù)責(zé)任的應(yīng)用成果，但卻在網(wǎng)站上或宣傳材料中陳列了一些不明出處或摘自我們或國(guó)外其他廠家儀器得到的結(jié)果，并煞有介事地就此對(duì)自家儀器的性能進(jìn)行分析和推論，誤導(dǎo)客戶(hù);
4.該廠家的儀器的*是多少?口碑如何?
您可以要求該生產(chǎn)廠家提供用戶(hù)名單、聯(lián)系;
5.該廠家的企業(yè)文化如何?背景如何?
請(qǐng)注意，有良好傳統(tǒng)的廠家的產(chǎn)品在市場(chǎng)上是有保障也是受歡迎的;
6.該廠家的技術(shù)隊(duì)伍、研發(fā)能力是否強(qiáng)大?售后服務(wù)、產(chǎn)品升級(jí)是否有保障?
更多的通過(guò)交流了解該廠家的實(shí)力和服務(wù)態(tài)度，條件許可的話，您可以到廠家處實(shí)地考察，帶上您的樣品，親自到廠家處操作儀器對(duì)您的樣品進(jìn)行測(cè)試;
7.了解儀器的成像模式，特別重要的是，原子力顯微鏡(AFM)是否具備接觸、輕敲、相移成像等多種工作模式?
8.了解儀器是否具備一些重要功能，如：
是否具備樣品全自動(dòng)逼進(jìn)功能?一些儀器必須配合手動(dòng)逼近，操作起來(lái)不勝其煩，而且很容易損壞探針
是否具有圖形刻蝕模式和矢量掃描模式等納米加工技術(shù)?
是否配備強(qiáng)大的在線控制軟件和后處理分析軟件?
能否對(duì)原來(lái)的儀器進(jìn)行升級(jí)和二次開(kāi)發(fā)?
掃描器大掃描范圍可達(dá)到多大?
可放置樣品的大尺寸的直徑和厚度是多少?
有些功能您目前不一定用得到，但具備這些擴(kuò)展能力，對(duì)于保護(hù)您的投資非常重要。
9.綜合上述因素，整體考慮儀器的性?xún)r(jià)比如何，結(jié)合您的經(jīng)費(fèi)、偏好等因素做出選擇。
二、簽訂合同時(shí)務(wù)必注意的事項(xiàng)：
1.簽訂合同時(shí)，您務(wù)必將關(guān)鍵參數(shù)及性能指標(biāo)寫(xiě)入到驗(yàn)收條款中：
驗(yàn)收必須以通用標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，避免輕信某些商家的過(guò)分吹噓，到驗(yàn)收時(shí)以這樣那樣的理由降低驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)甚至不驗(yàn)收，而買(mǎi)回來(lái)一堆廢鐵。
上*的標(biāo)準(zhǔn)為：
STM：橫向0.13nm垂直0.01nm(以石墨定標(biāo))
AFM：橫向0.26nm垂直0.1nm(以云母定標(biāo))
有些廠家含混其詞，將AFM的橫向分辨率寫(xiě)為0.4nm，以回避原子分辨的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。
2.必須在購(gòu)買(mǎi)合同中聲明電腦操作系統(tǒng)軟件、在線控制軟件和后處理分析軟件都是正版軟件，如果不事先約定，有些廠家就可能預(yù)裝盜版系統(tǒng)軟件，甚至其在線控制軟件和后處理分析軟件都是基于盜版軟件開(kāi)發(fā)的。
選購(gòu)步驟可從以下幾方面著手：
1.了解原子探針顯微鏡的基本原理
掃描隧道顯微鏡的原理
掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過(guò)探測(cè)固體表面原子中電子的隧道電流來(lái)分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。
根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不*局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長(zhǎng)度約為1nm。用一個(gè)極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱(chēng)為樣品)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近(距離<1nm)時(shí)，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓U，在電場(chǎng)作用下，電子就會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘，通過(guò)電子云的狹窄通道流動(dòng)，從一極流向另一極，形成隧道電流I。隧道電流I的大小與針尖和樣品間的距離s以及樣品表面平均勢(shì)壘的高度有關(guān)，其關(guān)系為式中A為常量。如果s以10-1nm為單位，以eV為單位，則在真空條件下，A≈1，。
由此可見(jiàn)，隧道電流I對(duì)針尖與樣品表面之間的距離s極為敏感，如果s減小0.1nm，隧道電流就會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)針尖在樣品表面上方掃描時(shí)，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過(guò)其隧道電流顯示出來(lái)。借助于電子儀器和計(jì)算機(jī)，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。
原子力顯微鏡的基本工作原理
AFM系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)帶針尖的力敏感元件;(2)力敏感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置;(3)監(jiān)控力敏感元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路;(4)掃描系統(tǒng)(一般使用壓電陶瓷)，其作用是使樣品進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng);(5)圖象采集及顯示;(6)圖象處理系統(tǒng)。其中關(guān)鍵的是前兩部分。
AFM的工作原理如圖2所示。將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。使針尖在樣品的表面上掃描，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8-10-6N)，原子間作用力的檢測(cè)主要由光杠桿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會(huì)彎曲。為檢測(cè)懸臂的微小彎曲量(位移)，采用激光照射懸臂的，四象限探測(cè)器就可檢測(cè)出懸臂的偏轉(zhuǎn)。如果控制這種力在掃描過(guò)程中保持恒定，則微懸臂將在垂直于樣品表面的方向上起伏運(yùn)動(dòng)，利用隧道電流檢測(cè)法或光學(xué)檢測(cè)方法，測(cè)定微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。
根據(jù)AFM所測(cè)力的性質(zhì)的不同，其工作模式及微懸臂運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方法將有所不同。所謂工作模式，主要是指AFM工作時(shí)微懸臂運(yùn)動(dòng)所處的狀態(tài)，主要可分為兩種。一種為準(zhǔn)靜態(tài)工作模式，此時(shí)針尖與樣品的相互作用力較強(qiáng)，微懸臂有較大形變，可用隧道電流法，電容及激光束偏轉(zhuǎn)探測(cè)法等直接檢測(cè)此形變。處于該模式，針尖與樣品的間距小于0.03nm，基本上是緊密接觸的(故又稱(chēng)接觸模式)。由于此時(shí)二者電子云發(fā)生重疊，導(dǎo)致儀器的分辨率*，可達(dá)原子級(jí)水平。運(yùn)用此種模式可測(cè)量原子間的相互作用力，所測(cè)小力可達(dá)10-9N。對(duì)于針尖與樣品間的摩擦力，也可用該模式進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)小檢測(cè)極限可達(dá)10-10N。根據(jù)反饋方式的不同，該模式又可分成恒力模式和形變變化模式兩種。前者反饋信號(hào)控制樣品上下運(yùn)動(dòng)，使得微懸臂的形變及其與樣品間的相互作用力保持恒定;后者樣品只進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，反饋線路控制使得微懸臂隨表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，由于反饋直接控制隧道針尖，導(dǎo)致儀器工作穩(wěn)定，但其數(shù)據(jù)的解釋要困難一些。
上面描述的這種接觸模式適應(yīng)于對(duì)硬表面的觀察，并可達(dá)到較高的分辨率，但這種接觸模式與樣品表面相互作用較強(qiáng)，對(duì)于生物樣品，由于它相對(duì)于云母，石墨及金等固體材料具有較大的柔軟性，目前對(duì)其觀察還沒(méi)有達(dá)到足夠高的分辨率，在針尖掃描時(shí)，有時(shí)還會(huì)造成樣品表面的損傷。而對(duì)于吸附在堅(jiān)硬表面的樣品，在探針的作用下有時(shí)會(huì)被移動(dòng)而不利于成像。對(duì)于生物材料，由于其表面較軟如果采用接觸模式，在不降低其分辨率的情況下，應(yīng)盡量降低針尖與樣品的作用力，以免造成表面損傷。
2.廠家的儀器的功能和特性是否滿足我的科研要求?
詳細(xì)閱讀產(chǎn)品資料中的技術(shù)性能指標(biāo)，不肯定時(shí)可將您的樣品交給廠家要求試驗(yàn)做樣，看看其結(jié)果是否滿意再下結(jié)論;
3.該廠家的儀器所做出來(lái)的結(jié)果是否得到國(guó)內(nèi)、國(guó)外核心期刊的認(rèn)可?用該廠家的儀器在國(guó)內(nèi)、國(guó)外核心期刊所發(fā)表的數(shù)量和質(zhì)量如何?
有些廠家無(wú)法提供自己儀器經(jīng)同行審議的、已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表、有人負(fù)責(zé)任的應(yīng)用成果，但卻在網(wǎng)站上或宣傳材料中陳列了一些不明出處或摘自我們或國(guó)外其他廠家儀器得到的結(jié)果，并煞有介事地就此對(duì)自家儀器的性能進(jìn)行分析和推論，誤導(dǎo)客戶(hù);
4.該廠家的儀器的*是多少?口碑如何?
您可以要求該生產(chǎn)廠家提供用戶(hù)名單、聯(lián)系;
5.該廠家的企業(yè)文化如何?背景如何?
請(qǐng)注意，有良好傳統(tǒng)的廠家的產(chǎn)品在市場(chǎng)上是有保障也是受歡迎的;
6.該廠家的技術(shù)隊(duì)伍、研發(fā)能力是否強(qiáng)大?售后服務(wù)、產(chǎn)品升級(jí)是否有保障?
更多的通過(guò)交流了解該廠家的實(shí)力和服務(wù)態(tài)度，條件許可的話，您可以到廠家處實(shí)地考察，帶上您的樣品，親自到廠家處操作儀器對(duì)您的樣品進(jìn)行測(cè)試;
7.了解儀器的成像模式，特別重要的是，原子力顯微鏡(AFM)是否具備接觸、輕敲、相移成像等多種工作模式?
8.了解儀器是否具備一些重要功能，如：
是否具備樣品全自動(dòng)逼進(jìn)功能?一些儀器必須配合手動(dòng)逼近，操作起來(lái)不勝其煩，而且很容易損壞探針
是否具有圖形刻蝕模式和矢量掃描模式等納米加工技術(shù)?
是否配備強(qiáng)大的在線控制軟件和后處理分析軟件?
能否對(duì)原來(lái)的儀器進(jìn)行升級(jí)和二次開(kāi)發(fā)?
掃描器大掃描范圍可達(dá)到多大?
可放置樣品的大尺寸的直徑和厚度是多少?
有些功能您目前不一定用得到，但具備這些擴(kuò)展能力，對(duì)于保護(hù)您的投資非常重要。
9.綜合上述因素，整體考慮儀器的性?xún)r(jià)比如何，結(jié)合您的經(jīng)費(fèi)、偏好等因素做出選擇。
二、簽訂合同時(shí)務(wù)必注意的事項(xiàng)：
1.簽訂合同時(shí)，您務(wù)必將關(guān)鍵參數(shù)及性能指標(biāo)寫(xiě)入到驗(yàn)收條款中：
驗(yàn)收必須以通用標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，避免輕信某些商家的過(guò)分吹噓，到驗(yàn)收時(shí)以這樣那樣的理由降低驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)甚至不驗(yàn)收，而買(mǎi)回來(lái)一堆廢鐵。
上*的標(biāo)準(zhǔn)為：
STM：橫向0.13nm垂直0.01nm(以石墨定標(biāo))
AFM：橫向0.26nm垂直0.1nm(以云母定標(biāo))
有些廠家含混其詞，將AFM的橫向分辨率寫(xiě)為0.4nm，以回避原子分辨的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。
2.必須在購(gòu)買(mǎi)合同中聲明電腦操作系統(tǒng)軟件、在線控制軟件和后處理分析軟件都是正版軟件，如果不事先約定，有些廠家就可能預(yù)裝盜版系統(tǒng)軟件，甚至其在線控制軟件和后處理分析軟件都是基于盜版軟件開(kāi)發(fā)的。